Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter October 23, 2021

The effect of surfactant concentrations and surface material on heat transfer coefficient in nucleate boiling regime

Der Einfluss der Tensidkonzentration und des Oberflächen-materials auf den Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich des Blasensiedens
A. M. Refaey, S. Elnaggar, S. H. Abdel-Latif and A. Hamza
From the journal Kerntechnik

Abstract

The nucleate boiling regime and two-phase flow are greater importance to the safety analysis of nuclear reactors. In this study, the boiling heat transfer in nuclear reactor is numerical investigated. The computational fluid dynamics (CFD) code, ANSYS Fluent 17.2 is used and the boiling model is employed. The numerical predictions obtained are compared with the experimental data reported by A. Hamza et al. [9]. An experimental test rig is designed and constructed to investigate the effect of cooling water chemistry control and the material of heater surface. CFD software, allows the detailed analysis of the two-phase flow and heat transfer. In this paper, we evaluate the accuracy of the boiling model implemented in the ANSYS Fluent code. This model is based on the heat flux partitioning approach and accommodates the heat flux due to single-phase convection, quenching and evaporation. The validation carried out of surfactant fluid/vapor two-phase flow inside the 2-D cylindrical boiling vessel. A heated horizontal pipe with stainless steel, Aluminum, and Zircalloy surface materials are used to numerically predict the field temperature and void fraction. Different surfactant concentrations ranging from 0, (pure water) to 1500 ppm, and heat fluxes ranging from 31 to 110 kW/m2 are used. The results of the predicted model depict that the addition of SDS Surfactant and increasing the heat flux improves the coefficient of boiling heat transfer for a given concentration. Also, it was found that the increasing of the concentration of aqueous surfactant solution increases the pool boiling heat transfer coefficient. The aqueous surfactant solution SDS improved the heat transfer coefficient of Aluminum, Zircalloy and stainless steel surface materials by 135%.138% and 120% respectively. The results of the numerical model are nearly in agreement with that measured in experimental.

Abstract

Das Blasensieden und die Zweiphasenströmung sind für die Sicherheitsanalyse von Kernreaktoren von großer Bedeutung. In dieser Studie wird der Wärmeübergang infolge Sieden in Kernreaktoren numerisch untersucht. Dazu wird der Computational Fluid Dynamics (CFD) Code ANSYS Fluent 17.2 unter Verwendung des Siedemodells eingesetzt. Die Ergebnisse werden mit den experimentellen Daten von A. Hamza et al. [1] verglichen, die er in einem Experiment zur Untersuchung der der Kühlwasserchemie und des Materials der Heizeroberfläche gewonnen hat. Die CFD-Software ermöglicht die detaillierte Analyse der Zweiphasenströmung und des Wärmeübergangs. In dieser Arbeit wird die Genauigkeit des im ANSYS Fluent Code implementierten Siedemodells evaluiert. Dieses Modell basiert auf dem Ansatz der Wärmestrompartitionierung und berücksichtigt den Wärmestrom aufgrund von einphasiger Konvektion, Quenching und Verdampfung. Die Validierung wurde für die Zweiphasenströmung Tensid/Flüssigkeit/Dampf im Inneren des zylindrischen 2-D-Siedegefäßes durchgeführt. Ein beheiztes horizontales Rohr mit Oberflächenmaterialien aus Edelstahl, Aluminium und Zircalloy wird verwendet, um die Temperatur und den Porenanteil numerisch vorherzusagen. Es werden verschiedene Tensidkonzentrationen von 0 (reines Wasser) bis 1500 ppm und Wärmeströme von 31 bis 110 kW/m2 betrachtet. Die Ergebnisse des Modells zeigen, dass die Zugabe von SDS-Tensid und die Erhöhung des Wärmestroms den Wärmeübertragungskoeffizienten des Siedens für eine bestimmte Konzentration verbessert. Es wurde auch festgestellt, dass die Erhöhung der Konzentration der wässrigen Tensidlösung den Wärmeübergtragungskoeffizienten im Bereich des Siedens im Pool erhöht. Die wässrige Tensidlösung SDS verbesserte den Wärmeübergangskoeffizienten der Oberflächenmaterialien Aluminium, Zircalloy und Edelstahl um 135%, 138% bzw. 120%. Die Ergebnisse des numerischen Modells stimmen nahezu mit den experimentell gemessenen Werten überein.

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Received: 2020-09-08
Published Online: 2021-10-23

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